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C++双链表介绍及实现

news 来源：原创 2025/9/10 22:22:24

双链表详解

1. 基本概念

双链表（双向链表） 是一种链式数据结构，每个节点包含两个指针：

前驱指针（pre）：指向直接前驱节点
后继指针（next）：指向直接后继节点

与单链表对比：

特性	单链表	双链表
指针数量	1个（next）	2个（pre + next）
遍历方向	单向	双向
空间占用	较小	较大（多1指针）
插入/删除效率	O(n)（需遍历）	O(1)（已知前驱时）
适用场景	简单序列、内存敏感场景	需要双向操作或频繁修改的场景

2. 核心结构

用户代码中的 student 结构体：

struct student {int m_id;string m_name;weak_ptr<student> pre;   // 前驱指针（弱引用）shared_ptr<student> next;// 后继指针（强引用）
};

智能指针设计亮点：

防止内存泄漏：
- shared_ptr 自动管理节点生命周期
- 析构时自动释放整个链表
打破循环引用：
- 前驱使用 weak_ptr 避免循环强引用
- 当删除节点时，weak_ptr 自动失效

循环引用问题

1. 如果前驱和后驱均用 shared_ptr

假设双向链表中所有节点都用 shared_ptr 相互连接：

struct Node {shared_ptr<Node> pre;  // 错误！shared_ptr<Node> next; // 错误！
};

当删除链表时：

引用计数永远无法归零：每个节点的 pre 和 next 指针互相持有对方的强引用（shared_ptr）。
内存泄漏：即使外部不再使用链表，节点间依然存在循环强引用，导致内存无法释放。

2. 示例说明

graph LR
A --> B
B --> A

节点A的next指向B → B的引用计数=1
节点B的pre指向A → A的引用计数=1
即使删除头节点，A和B的引用计数始终≥1 → 内存泄漏！

解决方案：`weak_ptr` 打破循环

1. 设计原理

**shared_ptr 后继指针**：表示节点 拥有（own） 下一个节点的所有权。
**weak_ptr 前驱指针**：仅表示节点 观察（observe） 前一个节点，但不持有所有权。

2. 所有权关系

graph LR
A[shared_ptr] --> B[shared_ptr]
B -.-> A[weak_ptr]

单向所有权链：从头节点（top）到尾节点（tail），所有节点通过 next 指针形成一条强引用链。
反向弱引用：pre 指针通过 weak_ptr 反向观察，但不增加引用计数。

3. 内存释放过程

当删除头节点时：

头节点的 shared_ptr 被释放 → 引用计数归零 → 头节点内存释放。
头节点的 next 指针释放 → 下一个节点的引用计数减1。
若下一个节点的引用计数归零 → 重复步骤1~2，直到整个链表释放。

即使存在 weak_ptr 前驱指针，也不会阻止节点释放。

代码示例分析

1. 用户代码中的 `student` 结构

struct student {int m_id;string m_name;weak_ptr<student> pre;   // 前驱：弱引用shared_ptr<student> next;// 后驱：强引用
};

2. 插入操作的引用计数变化

假设插入节点 B 到节点 A 之后：

A.next = make_shared<B>();
B.pre = A; // weak_ptr 不增加A的引用计数

节点A的引用计数：1（仅被外部持有）
节点B的引用计数：1（被A的next持有）

3. 删除节点时的行为

删除节点A：

A的引用计数归零 → 内存释放。
B的pre指针（指向A）自动失效（weak_ptr::expired() == true）。

为什么选择前驱为 `weak_ptr`？

1. 设计意图

单向所有权链：大多数链表操作（如遍历、插入、删除）从头部向尾部进行，next 指针是主要操作方向。
避免反向强引用：若 pre 也用 shared_ptr，尾部节点的 pre 指针会强制持有前驱节点的强引用，导致无法释放。

2. 性能与安全性

**weak_ptr 的安全性**：访问前驱时需通过 lock() 转为 shared_ptr，确保操作期间前驱节点有效。
无额外开销：weak_ptr 不增加引用计数，不影响内存释放速度。

对比其他设计方案

方案	优点	缺点
前驱 `weak_ptr` + 后驱 `shared_ptr`	无内存泄漏，逻辑清晰	反向访问需`lock()`
双向 `shared_ptr`	无需`lock()`，直接访问	内存泄漏（循环引用）
双向 `weak_ptr`	安全	链表可能提前释放，需额外管理生命周期

3. 关键操作分析

3.1 插入操作

头插法（用户代码中 push(int id, string name)）：

void push(int id, string name) {auto new_node = make_shared<student>(id, name, nullptr, top);if (top) top->pre = new_node; // 更新原头节点的前驱else tail = new_node;         // 空链表时初始化尾指针top = new_node;               // 更新头指针
}

时间复杂度：O(1)

指定位置插入（用户代码中 push(int f_id, int id, string name)）：

inline void MyClass::push(int f_id,int id,string name)
{if (isempty()) {top = make_shared<MyClass::student>( id, name,nullptr,nullptr);tail = top;}else{auto resource = find(f_id);auto &pre = resource.pre;auto &cur = resource.cur;//如果目标节点不存在，就把新节点插入到尾部，新节点的前指针指向原链表的尾节点tailif (cur == nullptr) {// 插入到尾部auto new_node = std::make_shared<student>(id, name, tail, nullptr);tail->next = new_node;tail = new_node;}//插入到中间节点前else {// 在目标节点前插入新节点，新节点的前指针指向前节点pre,新节点的next指针指向后节点curauto new_node = std::make_shared<student>(id, name, pre, cur);if (pre) {pre->next = new_node;}else {top = new_node; // 更新头指针}cur->pre = new_node; // 更新目标节点的前驱}}}

时间复杂度：查找O(n) + 插入O(1)

3.2 删除操作

指定节点删除（用户代码中 pop(int id)）：

void pop(int id) {auto res = find(id);if (res.cur) {if (res.pre) res.pre->next = res.cur->next;else top = res.cur->next; // 删除头节点res.cur->next) res.cur->next->pre = res.pre; else tail = res.pre; // 删除尾节点}
}

时间复杂度：查找O(n) + 删除O(1)

3.3 遍历与查找

遍历函数：

void MyClass::printlist()
{if (isempty()){cout << "链表为空" << endl;return;}auto str = top;//注意这里必须使用临时变量遍历链表，str前面加上&会使str成为top的引用，在经过str = str->next;会破坏链表while (str!= nullptr){cout << str->m_id << ":" << str->m_name << " <-> ";str = str->next;} cout << "NULL" << endl;}

查找函数：

MyClass::FindResult MyClass::find(int id)
{shared_ptr<student> cur = top;shared_ptr<student> preptr = shared_ptr<student>(nullptr);while (cur!=nullptr){if (cur->m_id == id) {return { preptr,cur };}else{preptr = cur;cur = cur->next;}}return { nullptr,nullptr };
}

时间复杂度对比

操作	数组	单链表	双链表
随机访问	O(1)	O(n)	O(n)
头部插入	O(n)	O(1)	O(1)
尾部插入	O(1)	O(n)	O(1)
已知位置插入	O(n)	O(n)	O(1)
删除元素	O(n)	O(n)	O(1)

典型应用场景

文本编辑器：支持移动
浏览器历史记录：前进/后退功能
音乐播放列表：上一曲/下一曲切换
撤销重做系统：操作记录的双向遍历

STL对双链表的支持

C++标准模板库（STL）通过 **std::list** 容器提供对双向链表的原生支持。以下是其核心特性和使用场景的全面分析：

一、底层实现

std::list 是严格的双向链表：

节点结构：每个节点包含：

struct Node {T data;          // 存储数据Node* prev;      // 指向前驱节点Node* next;      // 指向后继节点
};

内存管理：STL内部通过自定义分配器管理内存，自动处理节点的创建和销毁，无需手动管理指针。
无哨兵节点：部分实现可能使用头尾哨兵节点简化边界条件处理。

二、核心特性

1. 时间复杂度

操作	时间复杂度	说明
任意位置插入/删除	O(1)	已知迭代器位置
随机访问	O(n)	需从头/尾遍历
查找元素	O(n)	需遍历
合并链表	O(1)	`splice`操作直接修改指针

2. 迭代器

双向迭代器：支持前向（++）和后向（--）遍历。

for (auto it = myList.begin(); it != myList.end(); ++it) { /* 前向 */ }
for (auto rit = myList.rbegin(); rit != myList.rend(); ++rit) { /* 反向 */ }

稳定性：插入/删除操作不会使其他迭代器失效（除非指向被删节点）。

3. 内存分配

非连续存储：节点分散在内存中，无预留空间（与vector相反）。
缓存不友好：频繁跳转访问可能导致性能下降。

三、关键成员函数

1. 插入操作

函数	作用	示例
`push_front(const T&)`	头部插入	`list.push_front(42);`
`push_back(const T&)`	尾部插入	`list.push_back("hello");`
`insert(iterator pos, T)`	指定位置插入	`auto it = list.begin(); list.insert(it, 3.14);`

2. 删除操作

函数	作用	示例
`pop_front()`	删除头部	`list.pop_front();`
`pop_back()`	删除尾部	`list.pop_back();`
`erase(iterator pos)`	删除指定位置元素	`list.erase(it);`
`remove(const T& val)`	删除所有等于`val`的元素	`list.remove(42);`

3. 高级操作

函数	作用	示例
`splice(iterator pos, list& other)`	将`other`链表移动到当前链表的`pos`位置	`list1.splice(list1.end(), list2);`
`merge(list& other)`	合并两个有序链表	`list1.merge(list2);`
`sort()`	排序（稳定排序，O(n log n)）	`list.sort();`
`unique()`	删除连续重复元素	`list.unique();`

四、与其它容器的对比

特性	`std::list`	`std::vector`	`std::forward_list`
内存布局	非连续	连续	非连续
插入/删除效率	任意位置O(1)	尾部O(1)，其他O(n)	仅前向插入O(1)
随机访问	不支持（需遍历）	O(1)	不支持
内存开销	高（每个节点2指针+数据）	低（仅数据）	中（单指针+数据）
缓存友好性	差	优	差

五、适用场景

1. 推荐使用 `std::list` 的场景

频繁在任意位置插入/删除
例如：实时记录系统的事件队列（需动态调整顺序）。
需要稳定迭代器
例如：游戏引擎中遍历并修改场景对象链表。
大对象存储
避免vector扩容时的复制开销。

2. 应避免使用 `std::list` 的场景

需要随机访问
例如：科学计算中的矩阵操作。
内存敏感场景
例如：嵌入式系统开发中需最小化内存占用。
高频缓存访问
例如：实时图像处理中的像素操作。

六.性能优化建议

优先使用 std::list 的成员函数
- sort() 比 std::sort() 更高效（因链表特性优化）：
```
std::list<int> lst = {...};
lst.sort(); // 正确方式（O(n log n)）
// std::sort(lst.begin(), lst.end()); // 错误！需要随机访问迭代器
```
- 避免频繁的 size() 调用
  std::list::size() 的复杂度为O(n)（C++11前），C++11后为O(1)，但实现可能仍有差异。

3.使用 emplace 避免拷贝

struct BigObj { BigObj(int a, double b) {...} };
std::list<BigObj> list;
list.emplace_back(42, 3.14); // 直接在节点构造对象，无需拷贝

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